蓄热式热氧化器有机废气净化机理
摘要：对蓄热式热氧化器( ＲTO) 有机废气净化机理，ＲTO 设备运行过程中的蓄热过程和热力氧化过程进行了系统分析。指出需对热力氧化技术和关键设备进行理论分析与计算，并对装置结构进行改进，对工艺流程进行优化，以实现 ＲTO 装置最大化节能降耗。
蓄热式热氧化器( ＲTO) 运用蓄热式热力氧化方法对工业生产排气中的有机物废气进行氧化处理，以达到净化的目的。ＲTO 作为典型的热力燃烧设备，因其具有操作简单、维护方便、热效率高、运行费用低、无二次污染等特点，成为挥发性有机物( VOCs) 治理行业的主流产品。
早在1987 年，美国加利福尼亚州就出现了利用 ＲTO 系统治理金属成品厂卷材连续涂覆线废气的实例，之后越来越多的欧洲国家将 ＲTO 应用于工业有机废气的处理［1］。在我国，ＲTO 系统起初仅限于工程中的实际应用，鲜有学者对其进行深入研究，自 2001 年开始，陆续有学者对 ＲTO 系统展开深入研究［2 － 8］。ＲTO 自国内应用以来，在结构上进行了很大的改进与优化，经济效益也越来越好，目前 ＲTO 已成为处理有机废气的主要设备。虽然很多学者在热力氧化废气处理技术方面做了很多的探索与研究，在蓄热体材料以及组装方面做了很多工作，但是仍然存在着一些问题，尤其是面对不同行业的不同废气，废气量变化范围宽、废气组分含量不一致、废气燃烧产生的氧化热也不尽相同。本工作以三床式 ＲTO 为研究对象，对 ＲTO 设备有机废气净化过程及蓄热式热力氧化过程中的蓄热过程和热力氧化过程进行系统地分析，以掌握蓄热式热力氧化技术的原理，为 ＲTO 的设计提供依据。①
一、ＲTO 原理及结构
1． 1 原理
ＲTO 的基本原理是将有机废气中的可燃组分进行氧化燃烧或高温分解，该氧化反应类似于燃烧过程，但由于尾气中可燃组分的浓度太低，因此，反应中不会产生可见的火焰。
1． 2 结构
ＲTO 结构如图 1 所示，主体设备由燃烧室( 氧化室) 、蓄热室( 填料室) 、集气室构成。集气室是气体进出 ＲTO 的流经通道，位于蓄热填料的底部区域，其作用是使气体均匀地流经或流出蓄热室; 蓄热室是 ＲTO 内储放蓄热填料的地方，位于燃烧室和集气室之前，蓄热室内的蓄热填料是整台设备的核心部件，也是 ＲTO 区别于其他废气焚烧设备的关键部件，起储存和释放能量的作用;
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燃烧室是工业废气中可燃组分转变为无害成分的主要场所，在 ＲTO 启动或者燃烧室内温度过低时，燃烧器便会启动，提供热量。有机废气通过换向阀规律地进入 ＲTO，在燃烧室内充分氧化后有规律地排出。
2 热过程分析
2． 1 蓄热体
蓄热体的性能决定 ＲTO 的净化率，因 ＲTO的特殊工作原理，要求其具有高比表面积，较低压降，较大容重，以提高蓄热床的热效率和减小其阻力，减少辅助燃料及风机功率，降低设备的成本及运行费用。
目前，市场最常见的蓄热体有蜂窝填料和矩鞍环填料。矩鞍环填料是一种半圆形结构的敞开性填料，中间有一道环形加强筋避免了填料间的叠套和遮蔽，空隙率大，从而提高了传质表面的有效利用率，具有良好的液体分布性能，以及制作简便、不易堵塞等特点。陶瓷矩鞍环是应用较广的一种新型高效填料，不仅用于环保领域的有机尾气净化装置中，而且还可用于化工、冶金、煤气、制氧等行业干燥塔、吸收塔、冷却塔、再生塔内，该填料在急热急冷时具有很好的化学和物理稳定性，可以改善气流分布。MLM 蜂窝陶瓷系列是一种片状组合式多层填料，用普通化工陶瓷原料和高铝陶瓷原料制造，采用翅片错口组装，翅片间有一定间隙，作为尾气处理设备填料床中蓄热与传热性能优异的陶瓷介质。该结构是专为有机尾气处理设备( ＲTO 设备和蓄热式换热器) 而设计的规整蜂窝陶瓷填料，由多层齿状陶瓷片组合而成。它独特的结构设计既具有传统蜂窝陶瓷比表面积大，高热容、快传热、压降低、抗污堵的特点，又具有传统的矩鞍环等散装陶瓷填料蓄热性能好，易成型的优点，在热循环中，蓄 热—放热速度很快，热回收率高。
2． 2 过程分析
蓄热式热力氧化方法主要包括换热和氧化 2个热力学过程，蓄热过程主要涉及能量的储存和释放( 见图 2) 。蓄热体在使用过程中包括蓄热和放热 2 个换热过程，在燃烧室内高温氧化后的气体穿过蓄热体排出 ＲTO 设备的过程中，将能量储存在蓄热体中，随后较低温度的废气在流经蓄热体进入 ＲTO 设备的过程中，又将热量带走，预热有机废气。气体与蓄热体之间的热量交换在传热学范畴内属于外部强制对流传热，可参考文献［9］对其换热过程进行计算。
热力氧化过程是利用辅助燃料燃烧放出的热量 将 有 机 废 气 加 热 到 一 定 温 度 ( 600 ～ 1 100 ℃ ) ，废气中的有机物( 碳氢化合物) 在高温下发生氧化反应变成 CO2 和 H2O，这一过程涉及到了物质的转化，需对其进行物料衡算，以确保净化后的气体满足相应的排放标准。此外，热力氧化过程中可燃组分会发生化学反应，分解或氧化成无害的物质，化学反应需要一定的温度条件，即燃烧室需维持在一定的温度。若燃烧室内温度持续升高，就会引起燃烧室内温度过高，气体压力升高，造成能源浪费的同时影响 ＲTO 设备的正常运行。若燃烧室内的温度过低，则会引起气体氧化或分解不完全，造成 ＲTO 设备净化效率降低等问题。因此，还需对热力氧化过程中的热平衡进行分析，以便更好地提高 ＲTO 设备的安全性能和设备的净化效率。
3 结论
ＲTO 虽然在有机废气净化中的应用已有30 多年的历史，技术成熟，应用普遍，但实现 ＲTO在废气净化技术中的合理经济化应用，还需对热力氧化技术和相关关键设备进行严谨的理论分析与计算，并对装置结构进行改进，对工艺流程进行优化，以实现 ＲTO 节能降耗。